聚束直流電阻率法及其在黃河根石探測上的應(yīng)用研究

1、聚束直流電阻率法及其在黃河根石探測上的應(yīng)用研究* 本文得到黃河水利委員會“黃河科技項目 (2003H02) ”資金支持冷元寶1,2王銳1,李長征1, ,朱文仲1,喬惠忠1（1.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450032; 2.中國地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）摘 要：根石是保證堤防、壩、垛等河道整治工程的基礎(chǔ)，通過探測掌握根石分布狀況對保證防洪安全具有重要意義。但是由于介質(zhì)條件復(fù)雜等原因，在很長一段時間內(nèi)，無法實現(xiàn)對地下根石層厚度的探測。經(jīng)過長時間的研究，黃河水利科學(xué)研究院開發(fā)了聚束直流電阻率法探測系統(tǒng)，提高了直流電法對高阻、深部物體的探測能力。多次原型試驗和打孔

2、驗證證明，該方法與系統(tǒng)能夠有效地探測出地下根石層的分布情況和厚度。本文對聚束直流電阻率法及其應(yīng)用情況進行了簡要介紹。關(guān)鍵詞：聚束、電法、探測、根石Beaming Resistivity Method and Its Application in Enrockment DetectingWang Rui1, Li Changzheng1,Leng Yuanbao2,1,Zhu Wenzhong1,Qiao Huizhong 1( 1. Yellow river institute of hydraulic research ,Zhengzhou Henan 450003,China; 2. In

3、stitute of Geophysics and Geomatics,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China)Abstract: A new kind of detection system and its applications in enrockment detecting are introduced in this paper. Enrockment is the foundation of embankment and other river regulation constructions. So its impor

4、tant to detect and monitor the underground enrockment status. But for many reasons, almost all kinds of geophysical method, such as resistivity method, GPR, elastic wave method, can not confirm the thickness of enrockment. After long time research, Yellow River Institute of Hydraulic Research invite

5、d a new kind of system which called Beaming Resistivity Method Detection System. The new system successfully confirmed the thickness of underground enrockment.Keywords Beaming Resistivity Method, Enrockment.1. 引言丁壩、垛和護岸是黃河防洪工程的重要組成部分，而根石則是丁壩、垛和護岸的基礎(chǔ)。為了保證丁壩、垛和護岸的安全，必須及時了解根石的分布情況，以便有針對性地提前作好搶護準備，防止垮壩等

6、嚴重險情發(fā)生。因此根石探測是防汛搶險、確保防洪安全最重要的工作之一。黃委從1980年前后開始進行壩垛根石探測技術(shù)研究，后被列入國家“八五”科技攻關(guān)項目“黃河治理與水資源開發(fā)利用（85-926）”第一課題“黃河下游防洪關(guān)鍵技術(shù)研究（85-926-01）”中，投入大量人力、物力，采用了縱波折射法、縱波反射法、面波勘探法、常規(guī)電法、高密度電法和地質(zhì)雷達等多種方法進行試驗研究，但限于當(dāng)時的技術(shù)水平等因素，未取得實質(zhì)性成果 邊鵬,張遂芹,符建銘. 河南黃河河道整治工程根石探測及根石現(xiàn)狀分析J. 人民黃河，1999，21(6):6-7.。1997年，黃委會引進了美國EdgeTech公司的“X-STAR”水

7、下剖面儀，并對水下根石探測技術(shù)進行了全面試驗研究，取得了實質(zhì)性進展：能夠比較準確地探出根石頂界面。但是，根石的厚度問題、陸地根石的探測問題，仍然沒有解決 冷元寶,郝明,何劍. 工程測試新技術(shù)在堤壩隱患探測中的應(yīng)用J. 河南地質(zhì)，1999，17(4):303-306. 王震宇, 黃淑閣. “X-STAR剖面儀”在黃河下游河道整治工程根石探測中的初步應(yīng)用J. 人民黃河，1998，20(2):12-13.。目前黃河流域使用的根石基本上都是30cm見方的花崗巖石塊，花崗巖屬于高波速、高電阻介質(zhì)。這一特點給利用地球物理手段探測根石層厚度帶來了極大的難度，也是多種探測手段效果均不理想的根本原因。要解決根石

8、層厚度的探測問題必須另辟蹊徑，開發(fā)新型的探測方法與設(shè)備。2. 聚束直流電阻率法簡介直流電阻率法是傳統(tǒng)的物理勘探方法之一，長久以來，直流電阻率法在礦產(chǎn)普查、能源勘探、地質(zhì)填圖以及水文、工程地質(zhì)調(diào)查等方面，都取得大量成果，發(fā)揮了重要作用。但是，無論是普通的電剖面、電測深方法還是高密度電阻率法，它們的探測能力都受到“體積效應(yīng)”的影響。例如，何繼善院士經(jīng)過理論研究及模型試驗后指出，用高密度電阻率方法探測堤防隱患，洞徑埋深比不可能超過1：10 何繼善,朱自強. 論直流電阻率法探測堤壩隱患能力C. 湖南省地球物理論叢（2001）. 長沙:中南大學(xué)出版社,2001.；。另一方面，由于高阻地質(zhì)體對電流的排斥，

9、一般電法探測系統(tǒng)產(chǎn)生的電流很難克服高阻地層的屏蔽，也就無法獲得高阻層的厚度以及其下部地質(zhì)情況的信息。體積效應(yīng)和屏蔽效應(yīng)正是長久以來影響根石層探測效果的根本原因。經(jīng)過多年的探測實踐與總結(jié)經(jīng)驗，參考三側(cè)向和七側(cè)向電法測井的系統(tǒng)布設(shè)和數(shù)據(jù)處理方法，黃河水利科學(xué)研究院的科研人員提出了一種被稱為“聚束直流電阻率法”的探測方法。該方法利用輔助電極控制地下電流的分布，減小體積效應(yīng)與屏蔽效應(yīng)的影響，提高對高阻地層的探測能力。該觀測系統(tǒng)的電極布設(shè)參見圖 1?？烧{(diào)電阻N電壓表可調(diào)電阻直流電源 A1 M2 M1 A0 M1 M2 A2B圖 1 聚束直流電阻率法的電極分布示意圖Fig.1 electrode dist

10、ributionA1、A2，M1、M1，M2、M2這三對電極對稱地排列在電極A0兩邊，呈一條直線，A0B和A0N均與這條直線方向垂直。各電極之間的距離根據(jù)所需探測深度和現(xiàn)場地質(zhì)而定。A0是主電極，A1、A2是屏蔽電極，M1、M2、M1、M2是監(jiān)督電極。測量時，主電極和屏蔽電極分別供給極性相同的電流I0和I1，并調(diào)節(jié)I1，使得兩對監(jiān)督電極，M1、M1和M2、M2上的電位保持相同，即或。根據(jù)三側(cè)向和七側(cè)向測井的理論，反映了地下主電流穿過的各個地層電阻的串聯(lián)值，而A1和A2的間距又決定了勘探的深度 張庚驥，高等學(xué)校教學(xué)用書電法測井M，石油大學(xué)出版社,1996.作者簡介：王銳，河南鄭州人，水利部黃河水

11、利科學(xué)研究院高新技術(shù)研究中心工程師，從事信息物理技術(shù)研究?；谶@兩個特點，通過調(diào)節(jié)A1、A2的距離可以得到一系列的值，將其乘上裝置系數(shù)K（K值由電極極距決定），并經(jīng)進一步運算，即可得到不同深度地層的視電阻率。3. 聚束直流電阻率法設(shè)備的研制通過一系列的理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗后，確定了最佳聚束方案，并以此為基礎(chǔ)，開發(fā)了JT-1聚束直流電阻率探測儀，該儀器是根據(jù)本項目聚束電流（電場）的特殊要求，并結(jié)合聚束直流電阻率法探測壩垛根石和堤防質(zhì)量的野外工作方法，設(shè)計并研發(fā)的專用探測儀器。該儀器采用微機和大規(guī)模集成電路，實現(xiàn)高速采集、快速處理、實時顯示，并能將儀器所測數(shù)據(jù)通過RS232接口傳輸給計算機

12、。為了增加該儀器工作的穩(wěn)定性和野外工作的適用性，儀器采用了美國進口野外儀器專用密封箱體，由超高沖擊結(jié)構(gòu)的聚丙烯異分子協(xié)聚合物材料制成，密封墊圈材料為閉合細胞海綿體的.250聚氯丁橡膠，帶有單向自動排氣閥，具有防 水防潮，堅固耐磨，工藝考究的特點，在國內(nèi)同行業(yè)中處于領(lǐng)先水平。其內(nèi)部工藝結(jié)構(gòu)采用金屬框架固定方式，防震效果較好。 另外，該儀器還可以進行四極測深、聯(lián)合電測深、四極動源剖面、聯(lián)合剖面、偶極偶極、地井電法、五極縱軸電測深等常規(guī)電法勘探。使之成為一臺多功能的電法勘探儀器，可用于堤防隱患探測，水利工程地質(zhì)勘探等工作。JT-1聚束直流電阻率探測儀由微計算機、兩組接收通道、三組供電電路、調(diào)平衡電路

13、、平衡指示電路、濾波電路、24位AD轉(zhuǎn)換電路及數(shù)據(jù)處理軟件等組成，其中，微計算機部分由51系列單片及ROM、RAM等構(gòu)成微計算機，從鍵盤接收控制命令。由點陣式液晶顯示各種狀態(tài)及測量結(jié)果?？刂平涌诎l(fā)出供電、恒流、前放、濾波等需要的命令，并從AD獲得所需數(shù)據(jù)。通訊口是用在測量結(jié)束后將儀器內(nèi)的數(shù)據(jù)送到外部計算機；兩組接收通道用來接收M1 N、M2 N接收電極的電壓信號，在調(diào)平衡階段兩組電壓信號進行比較，平衡后M1 N電壓信號作為接收數(shù)據(jù)被記錄；三組供電電路通過供電電極分別向大地發(fā)射同極性電流信號，A0 為主電流，A1 、A2 為屏蔽電流，平衡后A0成為聚束電流被記錄；調(diào)平衡電路用來調(diào)節(jié)A0或A1 、

14、A2電流，使M1 N、M2 N接收電極的電壓信號平衡（相等），此時，A0便形成了垂直地面的聚束電流向下供電；平衡指示電路用來監(jiān)視M1 N、M2 N接收電極的電壓信號的比較（平衡）狀態(tài)；濾波電路用來消除交流電的工頻干擾和其它高頻信號的干擾；24位AD轉(zhuǎn)換電路用來將M1 N、M2 N接收電極的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行儲存或記錄；數(shù)據(jù)處理軟件將AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進行分析、處理和計算，得出對應(yīng)的視電阻率等參數(shù)并可實時顯示。JT-1聚束直流電阻率探測儀的配套設(shè)備還包括電流調(diào)節(jié)器，電極，放線架，直流供電電源等。4. 原型試驗儀器設(shè)備研制完成后，研究人員先后完成了2次堤防根石探測試驗，共完成了3個測點。試

15、驗地點選在中牟九堡控導(dǎo)工程堤壩險段134壩和136壩，測點1位于134壩壩頭水塘東1米，測點2位于134壩壩頭水塘東5米，測點3位于136壩頭東6米。這兩個壩曾多次出險，地下有大量的拋石體存在，適于驗證聚束探測儀器對根石層的探測效果。試驗過后，研究人員組織了打孔或錐探驗證，并進行了對稱四極測深探測進行探測效果對比。(b) 測點1鉆孔柱狀圖聚束直流電阻率測深曲線對稱四極電阻率測深曲線(a) 測點1聚束與對稱四極電阻率測深曲線圖 2 測點1試驗成果圖Fig.2 The abnormity curve and borehole columnar section of measuring point

16、#1圖 2是測點1位置的聚束直流電阻率測深、四極測深和鉆孔的成果對比圖，從中可以看出，聚束直流電阻率測深曲線在處呈現(xiàn)明顯高阻異常，根據(jù)經(jīng)驗，判斷為根石層。鉆孔資料顯示，地下為根石層，與聚束直流電阻率測深的結(jié)果相當(dāng)一致。四極測深曲線在根石層分布深度沒有異常顯示。測點2的試驗情況再次驗證了聚束直流電阻率法探測根石層位置和厚度的效果，圖 3是測點2位置的聚束直流電阻率測深、四極測深和鉆孔的成果對比圖。一般對稱四極測深曲線對根石層沒有反映，聚束直流電阻率測深曲線對根石層反映比較明顯。聚束直流電阻率測深曲線判斷測點地面下8m為根石層。鉆孔資料顯示，根石層位于地下7m處。聚束直流電阻率所測資料與鉆孔柱狀圖

17、對比大致結(jié)果相同，表明了聚束直流電阻率探測根石的有效性。聚束直流電阻率測深曲線對稱四極電阻率測深曲線(a) 測點2聚束與對稱四極電阻率測深曲線(b) 測點2鉆孔柱狀圖圖 3 測點2試驗成果圖Fig.2 The abnormity curve and borehole columnar section of measuring point #2在測點3處，由于地勢情況無法進行打孔驗證，研究人員利用探桿進行錐探對聚束直流電阻率法探測的成果進行驗證。根據(jù)聚束測量曲線判斷，為拋石層，16米為砂層。錐探結(jié)果表明，試驗結(jié)果與根石頂界面深度基本相符。聚束探測成果判斷的根石層厚度比鉆孔資料厚。在聚束探測和鉆孔兩種不同方法間存在差異也是正常的。而且鉆機在工作中不可避免的存在采樣缺失、鉆機跟進速度誤差等原因，鉆孔結(jié)果本身就存在誤差。因此聚束成果與鉆孔成果之間的差異并不能完全代表聚束探測系統(tǒng)的誤差。